EP0896191A2 - Brenngas-Einleitungsvorrichtung für einen Gas-Vormischbrenner - Google Patents

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EP0896191A2
EP0896191A2 EP98112693A EP98112693A EP0896191A2 EP 0896191 A2 EP0896191 A2 EP 0896191A2 EP 98112693 A EP98112693 A EP 98112693A EP 98112693 A EP98112693 A EP 98112693A EP 0896191 A2 EP0896191 A2 EP 0896191A2
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air
fuel gas
swirl
inflow opening
inflow
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Johann Moses
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Karl Dungs GmbH and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/62—Mixing devices; Mixing tubes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L5/00—Blast-producing apparatus before the fire

Definitions

  • the invention relates to a device for initiating Fuel gas in an air stream, especially for a gas premix burner, with an inflow chamber for the air and with an inflow opening leading into the inflow chamber for the fuel gas.
  • Introductory devices are also known in which the fuel gas metering after a pressure loss Throttle point is aimed.
  • the so-called “mechanical gas-air network” in order to change the performance, the flow cross-sections of air and fuel gas alike.
  • the so-called “Pneumatic compound” is the pressure of one fluid the pressure loss at the throttle point changed to the to achieve the same mixing ratio.
  • the so-called “Zero pressure control” is the pressure loss of the throttle point in the one fluid stream chosen approximately the same as the pressure loss of the throttle point in the other fluid flow, which makes the mixing ratio independent of the throughput becomes.
  • the usable performance range is also here small because of precise pressure control with small pressure differences is very difficult.
  • the present invention has the object based on an introduction device of the aforementioned Art in such a way that the metering accuracy of fuel gas to be introduced increases and the usable power range can be enlarged.
  • a Swirl generating device which at least the imparts a swirl to air flowing through the inflow chamber, and that the inflow opening in the region of the axis of rotation of the swirl is arranged.
  • Fuel gas Due to the swirl of the rotating air flow is in the Inflow center arranged for the center of the swirl Fuel gas generates a high negative pressure, which regulates the pressure of the fuel gas to be introduced is significantly simplified and thus increasing the metering accuracy. This can already with a low pressure drop in the air a precise, adjustable Mixing ratio with the fuel gas in one large performance range can be achieved.
  • the generation of the Swirls in the air also have the advantage that the flow with changes of direction not so easily detachment shows and thereby space is saved can.
  • the swirl generating device preferably has at least one, in particular several evenly distributed around its circumference swirl-generating guide vanes.
  • Via adjustable Guide blades can also be the metering of Fuel gas or the mixing ratio between air and Influence fuel gas particularly easily.
  • Swirl generating device designed as a cyclone. It turns out turns out to be advantageous, a larger amount of fuel gas to flow in the center of the cyclone to avoid flow losses to reduce.
  • a further swirl generating device the fuel gas flowing through the inflow opening or the mixture of air flowing through the inflow opening and fuel gas imprints a swirl can already upstream the inflow opening to the fuel gas or the mixture Swirl be imprinted, which is then downstream of the air embossed twist is reinforced.
  • This is preferably further swirl generating device upstream of the inflow opening to generate a swirl only in the Air of the mixture flowing through the inflow opening is arranged.
  • the inflow opening is designed as a Venturi nozzle.
  • fuel gas and air come together through the Venturi nozzle flow this leads already upstream of the Inflow chamber for improved mixing.
  • a radial fan is arranged downstream of the inflow chamber.
  • the twist of the mixture flowing out of the inflow chamber can be used for inflow of the radial fan can be used advantageously.
  • Counter-swirl flow can be a particularly high fan output can be achieved while a constant swirl flow particularly low-loss entry of the mixture into the radial fan is possible.
  • Fig. 1 10 is an introduction device for a gas premix burner (not shown), in which air 11 and fuel gas 12 are mixed together and then fed to the gas premix burner as a mixture 13 .
  • the air 11 is sucked in via a peripheral opening 17 into an inflow chamber 18 via a radial fan 14 , which is driven by the motor 15 in the direction of rotation 16 .
  • guide vanes 19 (FIG. 2) are arranged, which form a cyclone and which impart a swirl 20 to the air 11 flowing through the inflow chamber 18, as is also indicated by the flow arrows 21 in FIG. 2.
  • a nozzle-shaped inflow opening 23 is provided, which forms the inflow opening for the fuel gas 12 into the inflow chamber 18.
  • the fuel gas 12 is drawn in in the direction of the axis of rotation 22 due to the negative pressure prevailing in the inflow chamber 18, which is generated by the air 11 flowing in the direction of the radial fan 14 and is further increased by the swirl 20 in the air 11 generated around the inflow opening 23 .
  • the swirl 20 generates a very high negative pressure at the inflow opening 23, which decisively simplifies the pressure control of the fuel gas 12 to be introduced and thus increases the metering accuracy.
  • the mixture 25 of air 11 and fuel gas 12 in the radial fan 14 flows radially outward into an outer flow channel 24 and then out through an outlet opening 26 in the direction of the gas premix burner.
  • the swirl 20 and the direction of rotation 16 of the radial blower 14 are directed in the same way, which means that the mixture can enter the radial blower 14 with particularly low losses if the impeller 27 of the radial blower 14 is equipped with corresponding guide vanes 28 .
  • the inflow opening 23' is designed as a Venturi nozzle 29 , through which the fuel gas 12 and further air 11 'are introduced together into the inflow chamber 18 in the direction of the axis of rotation 22.
  • the air 11 ' is sucked in via the radial fan 14 via an air duct 31 and into the Venturi nozzle 19, the air 11' entraining the fuel gas 12 via a nozzle-shaped inflow opening 32 arranged in the region of the axis of rotation 22.
  • a swirl 34 is impressed on the air 11 'upstream of the inflow opening 23' via guide plates 33 (FIG. 4), which continues as swirl 34 ' in the Venturi nozzle 19 and increases the swirl 20 of the air 11, as by the arrow 35 is indicated.
  • FIG. 4 guide plates 33

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Abstract

Bei einer Vorrichtung (10) zum Einleiten von Brenngas (12) in einen Luftstrom, insbesondere für einen Gas-Vormischbrenner, mit einer Einströmkammer (18) für die Luft (11) und mit einer in die Einströmkammer (18) führenden Einströmöffnung (23) für das Brenngas (12) ist eine Drallerzeugungseinrichtung vorgesehen, die zumindest der durch die Einströmkammer (18) strömenden Luft (11) einen Drall (20) aufprägt. Weiterhin ist die Einströmöffnung (23) im Bereich der Drehachse (22) des Dralls (20) angeordnet. Durch den Drall des rotierenden Luftstroms wird an der im Zentrum des Dralls angeordneten Einströmöffnung für das Brenngas ein hoher Unterdruck erzeugt, der die Druckregelung des einzuleitenden Brenngases entscheidend vereinfacht und somit die Zumessungsgenauigkeit erhöht. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einleiten von Brenngas in einen Luftstrom, insbesondere für einen Gas-Vormischbrenner, mit einer Einströmkammer für die Luft und mit einer in die Einströmkammer führenden Einströmöffnung für das Brenngas.
Derartige Einleitungsvorrichtungen sind für Gas-Brenner hinreichend bekannt.
Beim sogenannten "atmosphärischen Brenner" reißt die durch eine Einströmkammer strömende Luft nach dem Strahlpumpenprinzip eine entsprechende Menge Brenngas mit. Entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit der Luft bzw. des in der Einströmkammer herrschenden Luftdruckes wird mehr oder weniger Brenngas zugemessen, wobei allerdings erhebliche Ungenauigkeiten auftreten können.
Weiterhin sind Einleitungsvorrichtungen bekannt, bei denen sich die Brenngas-Zumessung nach dem Druckverlust an einer Drosselstelle richtet. Beim sogenannten "mechanischen Gas-Luftverbund" werden, um die Leistung zu verändern, die Strömungsquerschnitte von Luft und Brenngas gleichermaßen verändert. Dies erfordert allerdings einen großen technischen Aufwand. Um die Leistung zu verändern, wird beim sogenannten "pneumatischen Verbund" der Druck des einen Fluides anhand des Druckverlustes an der Drosselstelle verändert, um das gleiche Mischungsverhältnis zu erreichen. Auch hier wird ein hoher technischer Aufwand benötigt, und der nutzbare Leistungsbereich bleibt verhältnismäßig klein. Bei der sogenannten "Nulldruckregelung" wird der Druckverlust der Drosselstelle in dem einen Fluidstrom in etwa gleich gewählt wie der Druckverlust der Drosselstelle in dem anderen Fluidstrom, wodurch das Mischungsverhältnis unabhängig vom Durchsatz wird. Auch hier ist der nutzbare Leistungsbereich klein, da eine genaue Druckregelung bei kleinen Druckdifferenzen sehr schwierig ist.
Aus der Veröffentlichung "Flame Special ISH Edition" der Firma Honeywell, Nr. 2, 1997 ist weiterhin eine Einleitungsvorrichtung bekannt, bei der das Brenngas in ein Venturirohr eingeleitet wird, in welchem ein negativer Luftdruck vorherrscht. Das Einleiten des Brenngases in den Luftstrom erfolgt dabei etwa im Bereich des engsten Querschnitts des Venturirohrs über eine koaxial zur Rohrachse des Venturirohrs angeordnete ringförmige Zuströmöffnung. Das aus dieser ringförmigen Zuströmöffnung mantelförmig um den Luftstrom herum austretende Brenngas strömt im wesentlichen ohne Durchmischung mit dem Luftstrom an der Diffusorwand des Venturirohrs entlang. Die eigentliche Durchmischung zwischen Brenngas und Luft erfolgt erst in einem stromabwärts der Zuströmöffnung bzw. des Venturirohrs angeordneten Gebläse. Die Brenngas-Zumessung richtet sich nach dem Unterdruck der Luft im Venturirohr, allerdings ist der Unterdruck im Venturirohr noch zu gering, um große Leistungsbereiche abdecken zu können.
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Einleitungsvorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die Zumessungsgenauigkeit des einzuleitenden Brenngases erhöht und der nutzbare Leistungsbereich vergrößert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Drallerzeugungseinrichtung vorgesehen ist, die zumindest der durch die Einströmkammer strömenden Luft einen Drall aufprägt, und daß die Einströmöffnung im Bereich der Drehachse des Dralls angeordnet ist.
Durch den Drall des rotierenden Luftstroms wird an der im Zentrum des Dralls angeordneten Einströmöffnung für das Brenngas ein hoher Unterdruck erzeugt, der die Druckregelung des einzuleitenden Brenngases entscheidend vereinfacht und somit die Zumessungsgenauigkeit erhöht. Dadurch kann schon bei einem geringen Druckabfall der Luft ein präzises, einstellbares Mischungsverhältnis mit dem Brenngas in einem großen Leistungsbereich erreicht werden. Die Erzeugung des Dralls in der Luft hat außerdem den Vorteil, daß die Strömung bei Richtungsänderungen nicht so leicht Ablösungserscheinungen zeigt und dadurch Bauraum eingespart werden kann.
Vorzugsweise weist die Drallerzeugungseinrichtung mindestens eine, insbesondere mehrere um ihren Umfang gleichmäßig verteilte drallerzeugende Leitschaufeln auf. Über verstellbare Leitschaufeln läßt sich darüber hinaus die Zumessung des Brenngases bzw. das Mischungsverhältnis zwischen Luft und Brenngas besonders einfach beeinflussen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die Drallerzeugungseinrichtung als Zyklon ausgebildet. Es erweist sich als vorteilhaft, eine größere Menge an Brenngas im Zentrum des Zyklons zuströmen zu lassen, um Strömungsverluste zu reduzieren.
Wenn eine weitere Drallerzeugungseinrichtung vorgesehen ist, die dem durch die Einströmöffnung strömenden Brenngas bzw. dem durch die Einströmöffnung strömenden Gemisch aus Luft und Brenngas einen Drall aufprägt, kann bereits stromaufwärts der Einströmöffnung dem Brenngas bzw. dem Gemisch ein Drall aufgeprägt sein, der dann stromabwärts den der Luft aufgeprägten Drall noch verstärkt. Vorzugsweise ist diese weitere Drallerzeugungseinrichtung stromaufwärts der Einströmöffnung zur Erzeugung eines Dralls lediglich in der Luft des durch die Einströmöffnung strömenden Gemisches angeordnet.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die Einströmöffnung als Venturidüse ausgebildet ist. Um eine Ablösung der hindurchströmenden Strömung von der Diffusorwand der Venturidüse möglichst lange hinauszögern oder gar vollständig zu verhindern, kann der hindurchströmenden Strömung ein Drall aufgeprägt sein. Wenn Brenngas und Luft gemeinsam durch die Venturidüse strömen, führt dies bereits stromaufwärts der Einströmkammer zu einer verbesserten Durchmischung.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn stromabwärts der Einströmkammer ein Radialgebläse angeordnet ist. Der Drall des aus der Einströmkammer ausströmenden Gemisches kann zur Anströmung des Radialgebläses vorteilhaft genutzt werden. Bei Gegendrallanströmung kann eine besonders hohe Gebläseleistung erreicht werden, während bei Gleichdrallanströmung ein besonders verlustarmer Eintritt des Gemisches ins Radialgebläse möglich ist.
Um den Unterdruck und auch die Vermischung von Brenngas und Luft noch weiter zu steigern, können mehrere solcher Einleitungsvorrichtungen, wie sie oben beschrieben sind, kaskadiert werden. Soll z.B. eine relativ kleine Menge an Brenngas zugemischt werden, so kann es vorteilhaft sein, nochmals eine Venturidüse oder einen Zyklon mit der Luft vorzuschalten (Kaskadierung).
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigt:
Fig. 1
eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Einleitungsvorrichtung;
Fig. 2
einen Querschnitt durch die Einleitungsvorrichtung der Fig. 1, dargestellt in drei unterschiedlichen Schnittsegmenten entsprechend A, B, C in Fig. 1;
Fig. 3
eine der Fig. 1 entsprechende schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Einleitungsvorrichtung; und
Fig. 4
einen Querschnitt durch die Einleitungsvorrichtung der Fig. 3, dargestellt in drei unterschiedlichen Schnittsegmenten entsprechend A, B, C in Fig. 3;
Die Figuren der Zeichnung zeigen den erfindungsgemäßen Gegenstand teilweise stark schematisiert und sind nicht notwendigerweise maßstäblich zu verstehen.
In Fig. 1 ist mit 10 eine Einleitungsvorrichtung für einen Gas-Vormischbrenner (nicht dargestellt) gezeigt, in der Luft 11 und Brenngas 12 miteinander vermischt werden und dann dem Gas-Vormischbrenner als Gemisch 13 zugeleitet werden. Dazu wird über ein Radialgebläse 14, das vom Motor 15 in Drehrichtung 16 angetrieben wird, die Luft 11 über eine Umfangsöffnung 17 in eine Einströmkammer 18 angesaugt. In der Einströmkammer 18 sind Leitschaufeln 19 (Fig. 2) angeordnet, die einen Zyklon bilden und die der durch die Einströmkammer 18 strömenden Luft 11 einen Drall 20 aufprägen, wie auch durch die Strömungspfeile 21 in Fig. 2 angedeutet ist.
Im Zentrum des Dralls 20, d.h. im Bereich seiner Drehachse 22, ist eine düsenförmige Einströmöffnung 23 vorgesehen, die die Zuströmöffnung für das Brenngas 12 in die Einströmkammer 18 bildet. Das Brenngas 12 wird in Richtung der Drehachse 22 aufgrund des in der Einströmkammer 18 herrschenden Unterdrucks angesaugt, der durch die in Richtung auf das Radialgebläse 14 strömende Luft 11 erzeugt und durch den um die Einströmöffnung 23 herum erzeugten Drall 20 in der Luft 11 noch verstärkt wird. Durch den Drall 20 wird an der Einströmöffnung 23 ein sehr hoher Unterdruck erzeugt, der die Druckregelung des einzuleitenden Brenngases 12 entscheidend vereinfacht und somit die Zumessungsgenauigkeit erhöht.
Wie das Schnittsegment C in Fig. 2 zeigt, strömt das Gemisch 25 aus Luft 11 und Brenngas 12 im Radialgebläse 14 radial nach außen in einen äußeren Strömungskanal 24 ein und dann über eine Austrittsöffnung 26 in Richtung auf den Gas-Vormischbrenner aus.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Drall 20 und die Drehrichtung 16 des Radialgebläses 14 gleich gerichtet, wodurch ein besonders verlustarmer Eintritt des Gemisches in das Radialgebläse 14 möglich ist, wenn das Gebläserad 27 des Radialgebläses 14 mit entsprechenden Leitschaufeln 28 ausgestattet ist.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Einleitungsvorrichtung 10' ist die Einströmöffnung 23' als Venturidüse 29 ausgebildet, durch die das Brenngas 12 und weitere Luft 11' in Richtung der Drehachse 22 gemeinsam in die Einströmkammer 18 eingeleitet werden. Über das Radialgebläse 14 wird die Luft 11' über einen Luftkanal 31 und in die Venturidüse 19 angesaugt, wobei die Luft 11' das Brenngas 12 über eine im Bereich der Drehachse 22 angeordnete düsenförmige Zuströmöffnung 32 mitreißt. Bereits im Luftkanal 31 wird der Luft 11' stromaufwärts der Einströmöffnung 23' über Leitbleche 33 (Fig. 4) ein Drall 34 aufgeprägt, der sich als Drall 34' in der Venturidüse 19 fortsetzt und den Drall 20 der Luft 11 noch verstärkt, wie durch den Pfeil 35 angedeutet ist. Insgesamt kann mit dieser Einleitungsvorrichtung 10' ein noch besserer Unterdruck als mit der Einleitungsvorrichtung 10 erzeugt werden.
Das Mischungsverhältnis von Luft 11 und Brenngas 12 berechnet sich - idealisiert - wie folgt, wenn der Volumenstrom V durch eine Düse:
Figure 00080001
zur Vereinfachung mit α = 1 und ρ = 1 angenommen wird. Für den Volumenstrom V1 der Luft 12 folgt:
Figure 00090001
mit A1:
Düsenquerschnitt für die Luft 11, der näherungsweise durch den Querschnitt in der Einströmkammer 18 und, falls vorhanden, durch den Austrittsquerschnitt der Venturidüse 19, abzüglich des Düsenquerschnitts für das Brenngas 12, multipliziert mit dem Flächenverhältnis der Venturidüse 19 gegeben ist,
mit σ1:
Dichte der Luft,
mit p1:
Eintrittsdruck der Luft 11, und
mit pG:
gemeinsamer Austrittsdruck von Luft 11 und Brenngas 12 vor dem Radialgebläse 14.
Der Volumenstrom V2 des Brenngases 12 ist gegeben durch:
Figure 00090002
mit A2:
Düsenquerschnitt für das Brenngas 12,
mit p2:
Eintrittsdruck Brenngas, normalerweise gleich p1, und
mit v:
Gerätekonstante, z.B. 4, d.h., ein bestimmtes Druckgefälle am Düsenquerschnitt für die Luft 11 erzeugt das 4-fache Druckgefälle am Düsenquerschnitt für das Brenngas 12.
Durch Verringern des Druckes P2 wird ein geringerer Anteil des Brenngases 12 zugemischt. Dadurch kann eine leistungsabhängige Veränderung des Mischungsverhältnisses erreicht werden. Bei konstanter Druckveränderung, z.B. durch andere Einstellung am Druckregler für das Brenngas 12, wird das Mischungsverhältnis bei kleinen Durchsatzleistungen verstärkt verändert, bei Drosselung wird das Mischungsverhältnis verstärkt bei hohen Durchsatzleistungen verändert.

Claims (9)

  1. Vorrichtung (10; 10') zum Einleiten von Brenngas (12) in einen Luftstrom, insbesondere für einen Gas-Vormischbrenner, mit einer Einströmkammer (18) für die Luft (11) und mit einer in die Einströmkammer (18) führenden Einströmöffnung (23; 23') für das Brenngas (12),
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine Drallerzeugungseinrichtung vorgesehen ist, die zumindest der durch die Einströmkammer (18) strömenden Luft (11) einen Drall (20) aufprägt, und daß die Einströmöffnung (23; 23') im Bereich der Drehachse (22) des Dralls (20) angeordnet ist.
  2. Einleitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallerzeugungseinrichtung mindestens eine drallerzeugende Leitschaufel (19) aufweist.
  3. Einleitungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Leitschaufel (19) verstellbar ist.
  4. Einleitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallerzeugungseinrichtung als Zyklon ausgebildet ist.
  5. Einleitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine weitere Drallerzeugungseinrichtung, die dem durch die Einströmöffnung (23) strömenden Brenngas (12) bzw. dem durch die Einströmöffnung (23') strömenden Gemisch (30) aus Luft (11') und Brenngas (12) einen Drall (34, 34') aufprägt.
  6. Einleitungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Drallerzeugungseinrichtung stromaufwärts der Einströmöffnung (23') zur Erzeugung eines Dralls (34) in der Luft (11') des durch die Einströmöffnung (23') strömenden Gemisches (30) angeordnet ist.
  7. Einleitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einströmöffnung (23') als Venturidüse (29) ausgebildet ist.
  8. Einleitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein stromabwärts der Einströmkammer (18) angeordnetes Radialgebläse (14).
  9. Einleitungsvorrichtung, gekennzeichnet dadurch eine Kaskadierung mehrerer Einleitungsvorrichtungen (10; 10') nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
EP98112693A 1997-08-05 1998-07-09 Brenngas-Einleitungsvorrichtung für einen Gas-Vormischbrenner Expired - Lifetime EP0896191B1 (de)

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PT (1) PT896191E (de)

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